Almacén de claves respaldado por hardware

La disponibilidad de un entorno de ejecución confiable en un sistema en un chip (SoC) ofrece una oportunidad para que los dispositivos Android brinden servicios de seguridad sólidos respaldados por hardware al sistema operativo Android, a los servicios de la plataforma e incluso a las aplicaciones de terceros. Los desarrolladores que busquen las extensiones específicas de Android deben ir a android.security.keystore .

Antes de Android 6.0, Android ya tenía una API de servicios criptográficos simple respaldada por hardware, proporcionada por las versiones 0.2 y 0.3 de Keymaster Hardware Abstraction Layer (HAL). Keystore proporcionó operaciones de verificación y firma digital, además de generación e importación de pares de claves de firma asimétricas. Esto ya está implementado en muchos dispositivos, pero hay muchos objetivos de seguridad que no se pueden lograr fácilmente con solo una API de firma. Keystore en Android 6.0 amplió la API de Keystore para proporcionar una gama más amplia de capacidades.

En Android 6.0, Keystore agregó primitivas criptográficas simétricas , AES y HMAC, y un sistema de control de acceso para claves respaldadas por hardware. Los controles de acceso se especifican durante la generación de claves y se aplican durante la vigencia de la clave. Las claves se pueden restringir para que solo se puedan usar después de que el usuario haya sido autenticado, y solo para propósitos específicos o con parámetros criptográficos específicos. Para obtener más información, consulte las páginas Etiquetas y funciones de autorización.

Además de expandir el rango de primitivas criptográficas, Keystore en Android 6.0 agregó lo siguiente:

• Un esquema de control de uso para permitir que se limite el uso de claves, para mitigar el riesgo de compromiso de seguridad debido al uso indebido de claves
• Un esquema de control de acceso para habilitar la restricción de claves para usuarios específicos, clientes y un rango de tiempo definido

En Android 7.0, Keymaster 2 agregó soporte para atestación de clave y enlace de versión. La atestación de clave proporciona certificados de clave pública que contienen una descripción detallada de la clave y sus controles de acceso, para que la existencia de la clave en hardware seguro y su configuración sean verificables de forma remota.

El enlace de versión vincula las claves al sistema operativo y la versión de nivel de parche. Esto garantiza que un atacante que descubra una debilidad en una versión anterior del sistema o el software TEE no pueda revertir un dispositivo a la versión vulnerable y usar claves creadas con la versión más nueva. Además, cuando se usa una clave con una versión y un nivel de parche dados en un dispositivo que se ha actualizado a una versión o nivel de parche más reciente, la clave se actualiza antes de que se pueda usar y la versión anterior de la clave se invalida. A medida que se actualiza el dispositivo, las teclas avanzan junto con el dispositivo, pero cualquier reversión del dispositivo a una versión anterior hace que las teclas queden inutilizables.

En Android 8.0, Keymaster 3 pasó de la capa de abstracción de hardware (HAL) de estructura C de estilo antiguo a la interfaz HAL de C++ generada a partir de una definición en el nuevo lenguaje de definición de interfaz de hardware (HIDL). Como parte del cambio, muchos de los tipos de argumento cambiaron, aunque los tipos y métodos tienen una correspondencia uno a uno con los tipos antiguos y los métodos de estructura HAL. Consulte la página Funciones para obtener más detalles.

Además de esta revisión de la interfaz, Android 8.0 amplió la función de atestación de Keymaster 2 para admitir la atestación de ID . La atestación de ID proporciona un mecanismo limitado y opcional para atestiguar fuertemente los identificadores de hardware, como el número de serie del dispositivo, el nombre del producto y la ID del teléfono (IMEI/MEID). Para implementar esta adición, Android 8.0 cambió el esquema de atestación ASN.1 para agregar atestación de ID. Las implementaciones de Keymaster deben encontrar alguna forma segura de recuperar los elementos de datos relevantes, así como definir un mecanismo para deshabilitar la función de forma segura y permanente.

En Android 9, las actualizaciones incluyeron:

• Actualizar a Keymaster 4
• Compatibilidad con elementos seguros integrados
• Compatibilidad con la importación de claves seguras
• Compatibilidad con el cifrado 3DES
• Cambios en el enlace de versiones para que boot.img y system.img tengan versiones establecidas por separado para permitir actualizaciones independientes

Glosario

Aquí hay una descripción general rápida de los componentes del almacén de claves y sus relaciones.

AndroidKeystore es la API de Android Framework y el componente utilizado por las aplicaciones para acceder a la funcionalidad Keystore. Se implementa como una extensión de las API estándar de la arquitectura criptográfica de Java y consta de código Java que se ejecuta en el propio espacio de proceso de la aplicación. AndroidKeystore cumple con las solicitudes de aplicaciones para el comportamiento del almacén de claves al reenviarlas al demonio del almacén de claves.

El demonio del almacén de claves es un demonio del sistema Android que brinda acceso a todas las funciones del almacén de claves a través de una API Binder . Es responsable de almacenar "blobs de claves", que contienen el material de la clave secreta real, encriptado para que Keystore pueda almacenarlos pero no usarlos ni revelarlos.

keymasterd es un servidor HIDL que proporciona acceso a Keymaster TA. (Este nombre no está estandarizado y tiene fines conceptuales).

Keymaster TA (aplicación de confianza) es el software que se ejecuta en un contexto seguro, con mayor frecuencia en TrustZone en un SoC ARM, que proporciona todas las operaciones seguras del almacén de claves, tiene acceso al material de clave sin procesar, valida todas las condiciones de control de acceso en las claves , etc.

LockSettingsService es el componente del sistema Android responsable de la autenticación del usuario, tanto de contraseña como de huella digital. No es parte de Keystore, pero es relevante porque muchas operaciones de claves de Keystore requieren autenticación de usuario. LockSettingsService interactúa con Gatekeeper TA y Fingerprint TA para obtener tokens de autenticación, que proporciona al daemon del almacén de claves y que finalmente son consumidos por la aplicación Keymaster TA.

Gatekeeper TA (aplicación confiable) es otro componente que se ejecuta en el contexto seguro, que es responsable de autenticar las contraseñas de los usuarios y generar tokens de autenticación que se utilizan para demostrarle al Keymaster TA que se realizó una autenticación para un usuario en particular en un momento determinado.

Fingerprint TA (aplicación confiable) es otro componente que se ejecuta en el contexto seguro que es responsable de autenticar las huellas dactilares del usuario y generar tokens de autenticación que se utilizan para demostrarle al Keymaster TA que se realizó una autenticación para un usuario en particular en un momento determinado.

Arquitectura

La API del almacén de claves de Android y el Keymaster HAL subyacente proporcionan un conjunto básico pero adecuado de primitivas criptográficas para permitir la implementación de protocolos utilizando claves respaldadas por hardware con control de acceso.

Keymaster HAL es una biblioteca de carga dinámica proporcionada por el OEM que utiliza el servicio Keystore para proporcionar servicios criptográficos respaldados por hardware. Para mantener las cosas seguras, las implementaciones de HAL no realizan ninguna operación confidencial en el espacio del usuario, ni siquiera en el espacio del kernel. Las operaciones confidenciales se delegan a un procesador seguro al que se accede a través de alguna interfaz del núcleo. La arquitectura resultante se ve así:

Figura 1. Acceso a Keymaster

Dentro de un dispositivo Android, el "cliente" de Keymaster HAL consta de varias capas (por ejemplo, aplicación, marco, demonio Keystore), pero eso puede ignorarse a los fines de este documento. Esto significa que la API Keymaster HAL descrita es de bajo nivel, utilizada por componentes internos de la plataforma y no expuesta a los desarrolladores de aplicaciones. La API de nivel superior se describe en el sitio para desarrolladores de Android .

El propósito de Keymaster HAL no es implementar algoritmos sensibles a la seguridad, sino solo clasificar y desclasificar solicitudes al mundo seguro. El formato de conexión está definido por la implementación.

Compatibilidad con versiones anteriores

Keymaster 1 HAL es completamente incompatible con las HAL publicadas anteriormente, por ejemplo, Keymaster 0.2 y 0.3. Para facilitar la interoperabilidad en dispositivos que ejecutan Android 5.0 y versiones anteriores que se lanzaron con las HAL de Keymaster anteriores, Keystore proporciona un adaptador que implementa la HAL de Keymaster 1 con llamadas a la biblioteca de hardware existente. El resultado no puede proporcionar la gama completa de funciones en Keymaster 1 HAL. En particular, solo es compatible con los algoritmos RSA y ECDSA, y el adaptador realiza toda la aplicación de autorización de clave, en el mundo no seguro.

Keymaster 2 simplificó aún más la interfaz HAL al eliminar los métodos get_supported_* y permitir que el método finish() acepte entradas. Esto reduce la cantidad de viajes de ida y vuelta al TEE en los casos en que la entrada está disponible de una sola vez y simplifica la implementación del descifrado AEAD.

En Android 8.0, Keymaster 3 pasó de la estructura C HAL de estilo antiguo a la interfaz HAL de C++ generada a partir de una definición en el nuevo Lenguaje de definición de interfaz de hardware (HIDL). Se crea una implementación de HAL de estilo nuevo mediante la creación de subclases de la clase IKeymasterDevice generada e implementando los métodos virtuales puros. Como parte del cambio, muchos de los tipos de argumento han cambiado, aunque los tipos y métodos tienen una correspondencia uno a uno con los tipos antiguos y los métodos de estructura HAL.

Descripción general de HIDL

El lenguaje de definición de interfaz de hardware (HIDL) proporciona un mecanismo de implementación independiente del lenguaje para especificar interfaces de hardware. Las herramientas HIDL actualmente admiten la generación de interfaces C++ y Java. Se espera que la mayoría de los implementadores de Trusted Execution Environment (TEE) encuentren las herramientas de C++ más convenientes, por lo que este documento analiza solo la representación de C++.

Las interfaces HIDL consisten en un conjunto de métodos, expresados ​​como:

  methodName(INPUT ARGUMENTS) generates (RESULT ARGUMENTS);

Hay varios tipos predefinidos, y las HAL pueden definir nuevos tipos enumerados y de estructura. Para obtener más detalles sobre HIDL, consulte la sección Referencia .

Un método de ejemplo de Keymaster 3 IKeymasterDevice.hal es:

generateKey(vec<KeyParameter> keyParams)
        generates(ErrorCode error, vec<uint8_t> keyBlob,
                  KeyCharacteristics keyCharacteristics);

Este es el equivalente de lo siguiente del keymaster2 HAL:

keymaster_error_t (*generate_key)(
        const struct keymaster2_device* dev,
        const keymaster_key_param_set_t* params,
        keymaster_key_blob_t* key_blob,
        keymaster_key_characteristics_t* characteristics);

En la versión HIDL, el argumento dev se elimina porque está implícito. El argumento params ya no es una estructura que contiene un puntero que hace referencia a una matriz de objetos key_parameter_t , sino un vec (vector) que contiene objetos KeyParameter . Los valores devueltos se enumeran en la cláusula " generates ", incluido un vector de valores uint8_t para el blob de claves.

El método virtual C++ generado por el compilador HIDL es:

Return<void> generateKey(const hidl_vec<KeyParameter>& keyParams,
                         generateKey_cb _hidl_cb) override;

Donde generateKey_cb es un puntero de función definido como:

std::function<void(ErrorCode error, const hidl_vec<uint8_t>& keyBlob,
                   const KeyCharacteristics& keyCharacteristics)>

Es decir, generateKey_cb es una función que toma los valores devueltos enumerados en la cláusula de generación. La clase de implementación HAL anula este método generateKey y llama al puntero de función generateKey_cb para devolver el resultado de la operación a la persona que llama. Tenga en cuenta que la llamada del puntero de función es síncrona . La persona que llama llama generateKey y generateKey llama al puntero de función proporcionado, que se ejecuta hasta el final, devolviendo el control a la implementación generateKey , que luego regresa a la persona que llama.

Para obtener un ejemplo detallado, consulte la implementación predeterminada en hardware/interfaces/keymaster/3.0/default/KeymasterDevice.cpp . La implementación predeterminada proporciona compatibilidad con versiones anteriores para dispositivos con HALS keymaster0, keymaster1 o keymaster2 de estilo antiguo.

Control de acceso

La regla más básica del control de acceso de Keystore es que cada aplicación tiene su propio espacio de nombres. Pero para cada regla hay una excepción. Keystore tiene algunos mapas codificados que permiten que ciertos componentes del sistema accedan a otros espacios de nombres. Este es un instrumento muy contundente ya que le da a un componente control total sobre otro espacio de nombres. Y luego está la cuestión de los componentes del proveedor como clientes de Keystore. Actualmente no tenemos forma de establecer un espacio de nombres para componentes de proveedores, por ejemplo, suplicante WPA.

Para acomodar los componentes de los proveedores y generalizar el control de acceso sin excepciones codificadas, Keystore 2.0 introduce dominios y espacios de nombres SELinux.

Dominios de almacén de claves

Con los dominios Keystore, podemos desacoplar los espacios de nombres de los UID. Los clientes que acceden a una clave en Keystore deben especificar el dominio, el espacio de nombres y el alias al que desean acceder. Según esta tupla y la identidad de la persona que llama, podemos determinar a qué clave desea acceder la persona que llama y si tiene los permisos adecuados.

Presentamos cinco parámetros de dominio que rigen cómo se puede acceder a las claves. Controlan la semántica del parámetro de espacio de nombres del descriptor clave y cómo se realiza el control de acceso.

• DOMAIN_APP : el dominio de la aplicación cubre el comportamiento heredado. Java Keystore SPI utiliza este dominio de forma predeterminada. Cuando se usa este dominio, el argumento del espacio de nombres se ignora y, en su lugar, se usa el UID de la persona que llama. El acceso a este dominio está controlado por la etiqueta Keystore de la clase keystore_key en la política de SELinux.
• DOMAIN_SELINUX : este dominio indica que el espacio de nombres tiene una etiqueta en la política de SELinux. El parámetro del espacio de nombres se busca y se traduce a un contexto de destino, y se realiza una verificación de permisos para el contexto de SELinux que llama para la clase keystore_key . Cuando se ha establecido el permiso para la operación dada, la tupla completa se usa para la búsqueda de clave.
• DOMAIN_GRANT : el dominio de concesión indica que el parámetro de espacio de nombres es un identificador de concesión. El parámetro de alias se ignora. Las comprobaciones de SELinux se realizan cuando se crea la concesión. El control de acceso adicional solo verifica si el UID de la persona que llama coincide con el UID de los beneficiarios de la subvención solicitada.
• DOMAIN_KEY_ID : este dominio indica que el parámetro de espacio de nombres es una identificación de clave única. La clave en sí puede haber sido creada con DOMAIN_APP o DOMAIN_SELINUX . La verificación de permisos se realiza después de que el domain y el namespace se hayan cargado desde la base de datos de claves de la misma manera que si el dominio, el espacio de nombres y la tupla de alias cargaran el blob. La justificación del dominio de identificación de clave es la continuidad. Al acceder a una clave por alias, las llamadas subsiguientes pueden operar en diferentes claves, ya que es posible que se haya generado o importado una clave nueva y vinculada a este alias. Sin embargo, la identificación de la clave nunca cambia. Entonces, cuando se usa una clave por ID de clave después de que se haya cargado desde la base de datos del almacén de claves usando el alias una vez, uno puede estar seguro de que es la misma clave siempre que la ID de clave aún exista. Esta funcionalidad no está expuesta a los desarrolladores de aplicaciones. En cambio, se usa dentro de Android Keystore SPI para brindar una experiencia más consistente, incluso cuando se usa simultáneamente de manera insegura.
• DOMAIN_BLOB : el dominio del blob indica que la persona que llama administra el blob por sí mismo. Esto se usa para clientes que necesitan acceder al almacén de claves antes de que se monte la partición de datos. El blob de clave se incluye en el campo blob del descriptor de clave.

Usando el dominio SELinux, podemos otorgar a los componentes del proveedor acceso a espacios de nombres de Keystore muy específicos que pueden ser compartidos por componentes del sistema, como el cuadro de diálogo de configuración.

Política de SELinux para keystore_key

Las etiquetas de espacios de nombres se configuran mediante el archivo keystore2_key_context .
Cada línea en estos archivos asigna una identificación de espacio de nombres numérico a una etiqueta SELinux. Por ejemplo,

# wifi_key is a keystore2_key namespace intended to be used by wpa supplicant and
# Settings to share keystore keys.
102            u:object_r:wifi_key:s0

Después de haber configurado un nuevo espacio de nombres clave de esta manera, podemos darle acceso agregando una política apropiada. Por ejemplo, para permitir que wpa_supplicant obtenga y use claves en el nuevo espacio de nombres, agregaríamos la siguiente línea a hal_wifi_supplicant.te :

allow hal_wifi_supplicant wifi_key:keystore2_key { get, use };

Después de configurar el nuevo espacio de nombres, AndroidKeyStore se puede usar casi como de costumbre. La única diferencia es que se debe especificar el ID del espacio de nombres. Para cargar e importar claves desde y hacia Keystore, la identificación del espacio de nombres se especifica mediante AndroidKeyStoreLoadStoreParameter . Por ejemplo,

import android.security.keystore2.AndroidKeyStoreLoadStoreParameter;
import java.security.KeyStore;

KeyStore keystore = KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore");
keystore.load(new AndroidKeyStoreLoadStoreParameter(102));

Para generar una clave en un espacio de nombres dado, la identificación del espacio de nombres debe proporcionarse mediante KeyGenParameterSpec.Builder#setNamespace():

import android.security.keystore.KeyGenParameterSpec;
KeyGenParameterSpec.Builder specBuilder = new KeyGenParameterSpec.Builder();
specBuilder.setNamespace(102);

Los siguientes archivos de contexto se pueden usar para configurar los espacios de nombres Keystore 2.0 SELinux. Cada partición tiene un rango reservado diferente de 10 000 ID de espacios de nombres para evitar colisiones.

Dividir	Rango	Archivos de configuración
Sistema	0 ... 9,999	/system/etc/selinux/keystore2_key_contexts, /plat_keystore2_key_contexts
Sistema Extendido	10.000 ... 19.999	/system_ext/etc/selinux/system_ext_keystore2_key_contexts, /system_ext_keystore2_key_contexts
Producto	20.000 ... 29.999	/product/etc/selinux/product_keystore2_key_contexts, /product_keystore2_key_contexts
Proveedor	30.000 ... 39.999	/vendor/etc/selinux/vendor_keystore2_key_contexts, /vendor_keystore2_key_contexts

El cliente solicita la clave solicitando el dominio SELinux y el espacio de nombres virtual deseado, en este caso "wifi_key" , por su id numérico.

Por encima de eso, se han definido los siguientes espacios de nombres. Si reemplazan reglas especiales, la siguiente tabla indica el UID al que solían corresponder.

Id. de espacio de nombres	Etiqueta de política SE	UID	Descripción
0	su_clave	N / A	Clave de superusuario. Solo se usa para probar en compilaciones de depuración de usuario y eng. No relevante en las compilaciones de los usuarios.
1	shell_key	N / A	Espacio de nombres disponible para shell. Se usa principalmente para pruebas, pero también se puede usar en compilaciones de usuarios desde la línea de comandos.
100	llave_vold	N / A	Destinado a ser utilizado por vold.
101	odsing_key	N / A	Utilizado por el daemon de firma en el dispositivo.
102	clave_wifi	AYUDA_WIFI(1010)	Utilizado por el sistema Wifi de Android, incluido wpa_supplicant.
120	resume_on_reboot_key	SISTEMA_AYUDA(1000)	Utilizado por el servidor del sistema de Android para admitir la reanudación al reiniciar.

Vectores de acceso

La clase keystore_key de SELinux ha envejecido bastante y algunos de los permisos, como verify o sign han perdido su significado. Aquí está el nuevo conjunto de permisos, keystore2_key , que Keystore 2.0 aplicará.

Permiso	Significado
delete	Comprobado al eliminar claves del almacén de claves.
get_info	Marcado cuando se solicitan los metadatos de una clave.
grant	La persona que llama necesita este permiso para crear una concesión a la clave en el contexto de destino.
manage_blob	La persona que llama puede usar DOMAIN_BLOB en el espacio de nombres de SELinux dado, y así administrar los blobs por sí mismo. Esto es especialmente útil para vold.
rebind	Este permiso controla si un alias se puede volver a vincular a una clave nueva. Esto es necesario para la inserción e implica que se eliminará la clave enlazada anteriormente. Es básicamente un permiso de inserción, pero captura mejor la semántica del almacén de claves.
req_forced_op	Los clientes con este permiso pueden crear operaciones que no se pueden podar, y la creación de operaciones nunca falla a menos que todas las ranuras de operación estén ocupadas por operaciones que no se pueden podar.
update	Necesario para actualizar el subcomponente de una clave.
use	Marcado al crear una operación de Keymint que utiliza el material clave, por ejemplo, para firmar, cifrar/descifrar.
use_dev_id	Obligatorio al generar información de identificación del dispositivo, como la atestación de identificación del dispositivo.

Además, dividimos un conjunto de permisos de almacén de claves no específicos de clave en la clase de seguridad keystore2 de SELinux:

Permiso	Significado
add_auth	Requerido por el proveedor de autenticación como Gatekeeper o BiometricsManager para agregar tokens de autenticación.
clear_ns	Anteriormente clear_uid, este permiso permite que una persona que no sea propietaria de un espacio de nombres elimine todas las claves en ese espacio de nombres.
list	Requerido por el sistema para enumerar claves por varias propiedades, como la propiedad o el límite de autenticación. Este permiso no es necesario para los llamantes que enumeran sus propios espacios de nombres. Esto está cubierto por el permiso get_info .
lock	Este permiso permite bloquear Keystore, es decir, desalojar la clave maestra, de modo que las claves vinculadas a la autenticación se vuelvan inutilizables e imposibles de crear.
reset	Este permiso permite restablecer Keystore a los valores predeterminados de fábrica, eliminando todas las claves que no son vitales para el funcionamiento del sistema operativo Android.
unlock	Este permiso es necesario para intentar desbloquear la clave maestra para claves enlazadas de autenticación.